如何利用8位MCU實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)場(chǎng)技術(shù)

對(duì)現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)而言，技術(shù)的進(jìn)步利弊皆存。利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和園藝技術(shù)，可以在更小的耕種面積上實(shí)現(xiàn)更多的作物產(chǎn)量，從而滿足日益增長(zhǎng)的人口需求。然而，如今農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)出的新鮮食品的品質(zhì)在不斷下滑，而數(shù)量仍然不足以讓農(nóng)場(chǎng)主保持盈利。

農(nóng)業(yè)本身非常不穩(wěn)定。原因在于，每年的產(chǎn)量很大程度上受到外部環(huán)境的影響。為了滿足提高農(nóng)業(yè)一致性和可持續(xù)性的需求，需要將另一種現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中（圖1）。我們先來(lái)了解智能農(nóng)場(chǎng)。

圖1. 農(nóng)場(chǎng)主可以遠(yuǎn)程監(jiān)控作物和畜牧的健康狀況，提供有價(jià)值的信息，確保農(nóng)業(yè)的一致性

強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)畜牧監(jiān)控系統(tǒng)有助于增加健康動(dòng)物的數(shù)量，從而提高食品質(zhì)量。利用土壤和植物健康監(jiān)控系統(tǒng)，農(nóng)場(chǎng)主能夠在前所未有的細(xì)節(jié)水平上監(jiān)控作物的健康狀況。借助當(dāng)今的嵌入式聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)，未來(lái)的“智能農(nóng)場(chǎng)”將擁有提高產(chǎn)量和利潤(rùn)所需的各種工具和能力，同時(shí)仍然能夠滿足挑剔客戶的質(zhì)量要求。

這些傳感器收集的信息可幫助指導(dǎo)農(nóng)場(chǎng)主針對(duì)其農(nóng)場(chǎng)制定最佳決策，從而在減少水、農(nóng)藥和肥料用量的同時(shí)，提高作物和畜牧的生產(chǎn)率。這不但有助于降低農(nóng)場(chǎng)對(duì)自然環(huán)境的影響，還能改良土地質(zhì)量，確保子孫后代的可持續(xù)發(fā)展。

嵌入式和無(wú)線技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)者

簡(jiǎn)單地說(shuō)，確?，F(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的主要解決方案是向農(nóng)場(chǎng)主提供有用的信息。由于當(dāng)今嵌入式和無(wú)線技術(shù)的創(chuàng)新，可通過(guò)采用大量低成本聯(lián)網(wǎng)傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這些傳感器通常監(jiān)控農(nóng)田或畜牧的各種現(xiàn)場(chǎng)狀況，包括溫度、pH值、濕度、活動(dòng)數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)。接下來(lái)，這些傳感器通過(guò)4G/5G蜂窩和LoRa等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ǔ；谠频募惺綌?shù)據(jù)庫(kù)。

之后，可以通過(guò)任意聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行快速分析以確定是否需要采取糾正措施。這樣，農(nóng)場(chǎng)主便可從世界任何地方訪問(wèn)農(nóng)場(chǎng)的分析結(jié)果。

聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)并非新概念；但是，為了確保在這種獨(dú)特的嚴(yán)苛環(huán)境下保持足夠的性能和可靠性，必須滿足一些關(guān)鍵要求。首先，需要可靠的電源，這個(gè)挑戰(zhàn)很難解決，因?yàn)檗r(nóng)場(chǎng)一般不會(huì)配備長(zhǎng)達(dá)1000英尺的延長(zhǎng)線。

節(jié)點(diǎn)需采用電池供電，并且能效必須足夠高，可以在不更換電池的情況下使用數(shù)月甚至數(shù)年。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，需要利用基于單片機(jī)（MCU）的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)極高的系統(tǒng)效率，這種系統(tǒng)只需較低的核心CPU使用率即可管理各種復(fù)雜任務(wù)，而且在系統(tǒng)不工作時(shí)不會(huì)斷電。

其次，智能農(nóng)場(chǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)需要在惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)保持可操作性，甚至?xí)惭b到動(dòng)物身上。就整個(gè)系統(tǒng)而言，需要采用既實(shí)用又創(chuàng)新的解決方案才能確保穩(wěn)定性和功能性。節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間保留在現(xiàn)場(chǎng)，并且需要極少的硬件維護(hù)。所有軟件更新都需要以遠(yuǎn)程方式安全完成。為滿足這種需求，需要在農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)最常見(jiàn)的廣域網(wǎng)（WAN）基礎(chǔ)設(shè)施提供可靠的遠(yuǎn)程連接。

在設(shè)計(jì)用于智能農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，工程師必須考慮到受監(jiān)控植物和動(dòng)物的多樣性。植物健康監(jiān)控系統(tǒng)可以測(cè)量各種環(huán)境條件，包括水位、土壤條件、pH值和光照水平，而畜牧跟蹤系統(tǒng)則需要包含GPS坐標(biāo)、步態(tài)監(jiān)視器、脈搏血氧儀和監(jiān)控關(guān)鍵健康數(shù)據(jù)點(diǎn)的其他傳感器。

針對(duì)任意一種情況，理想的商用解決方案都是通用的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，直接購(gòu)買(mǎi)采用這種設(shè)計(jì)的產(chǎn)品即可滿足個(gè)別農(nóng)場(chǎng)的需求。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)必須足夠靈活，以便與各種模擬和數(shù)字傳感器接口。

不過(guò)，還有另一個(gè)更困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，涉及到需要在此類(lèi)系統(tǒng)中應(yīng)用的各種工程學(xué)科。對(duì)于智能農(nóng)場(chǎng)組件設(shè)計(jì)人員或工程團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，除了精通云基礎(chǔ)設(shè)施外，他們還需要在傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)、射頻通信（包括LoRa、Wi-Fi和蜂窩拓?fù)涞娜考?xì)節(jié)）以及網(wǎng)絡(luò)安全方面擁有專(zhuān)家級(jí)經(jīng)驗(yàn)。

8位MCU登場(chǎng)

要擴(kuò)展智能農(nóng)場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，首先從探討前沿應(yīng)用時(shí)考慮不到的方面開(kāi)始。由于智能農(nóng)場(chǎng)里的絕大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)都采用電池供電、支持遠(yuǎn)程定位且偶爾需要維護(hù)，因此要實(shí)現(xiàn)最佳的控制解決方案，必須采用全球最節(jié)能的單片機(jī)。

8位MCU擁有50余年的歷史，雖然它們一直是大多數(shù)低功耗嵌入式任務(wù)的選擇，但最新款器件已加入許多現(xiàn)代特性，可以直接滿足智能農(nóng)業(yè)和園藝系統(tǒng)的需求。在許多新功能中，PIC®和AVR®單片機(jī)上獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）是嵌入式設(shè)計(jì)的“增強(qiáng)器”。

CIP可以獨(dú)立于芯片的CPU工作，這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員便可將它們?cè)O(shè)置為在最低功耗模式下處理常見(jiàn)的重復(fù)性任務(wù)。在低維護(hù)環(huán)境下，CIP還能提供另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，即幫助設(shè)計(jì)人員提高系統(tǒng)可靠性。由于經(jīng)過(guò)編程后，CIP可以起到類(lèi)似于MCU中的微型FPGA的作用，因此能夠有效避免堆棧上溢或下溢等軟件偏差。

使用同一個(gè)聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)控制器與各種數(shù)字和模擬傳感器接口可能頗具挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，有一些現(xiàn)代MCU可滿足這類(lèi)特殊應(yīng)用的需求，同時(shí)最大限度地減少外部組件。此類(lèi)MCU提供用于數(shù)字傳感器連接的SPI和I2C接口，以及帶可編程增益放大器（PGA）的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可實(shí)現(xiàn)極高的傳感器靈活性（圖2）。利用這些特性，設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)智能農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用自由構(gòu)建高度可定制的模塊化傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖2. 體積小、效率高的MCU是確保智能農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵

隨著MCU架構(gòu)的現(xiàn)代化，其配套開(kāi)發(fā)硬件和軟件環(huán)境也逐漸發(fā)展成熟。對(duì)于小型公司的工程團(tuán)隊(duì)而言，嵌入式系統(tǒng)、射頻天線設(shè)計(jì)和云連接并非核心競(jìng)爭(zhēng)力，快速原型設(shè)計(jì)板才是靈丹妙藥。原型設(shè)計(jì)板為設(shè)計(jì)人員提供了簡(jiǎn)單的參考示例，甚至包括可與最常見(jiàn)的云提供商連接的GitHub資源庫(kù)和固件。

遠(yuǎn)程傳感器技術(shù)

當(dāng)今的農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)革命。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問(wèn)植物和動(dòng)物健康數(shù)據(jù)正在變革農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)方式，帶來(lái)的結(jié)果是提高了產(chǎn)量并增強(qiáng)了土地的活力（圖3）。

圖3. 利用采用8位MCU的遠(yuǎn)程傳感器技術(shù)監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)健康狀況，確保作物獲得必要的照料以茁壯成長(zhǎng)

這場(chǎng)革命的前沿是“隨處可用”的云連接，但其基礎(chǔ)仍然是使用成熟的8位單片機(jī)構(gòu)建的。無(wú)論現(xiàn)在還是未來(lái)，對(duì)于可持續(xù)性增強(qiáng)型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員而言，現(xiàn)代化MCU架構(gòu)（如具有CIP的AVR和PIC）都將是在傳感器和云之間架起橋梁的關(guān)鍵組件。